軌道捕獲

運載火箭把衛星送入軌道時，存在各種入軌誤差，軌道捕獲就是指消除入軌誤差，使衛星進入標準軌道。

典型的捕獲過程為：衛星入軌以後，用幾天的時間精確測軌，求出發射軌道和預定軌道的半長軸和傾角的差，確定捕獲要求和捕獲程式，包括發動機點火程式，工作時間、點火次數及工作點。在幾條相鄰的軌道上修正，並讓調整軌道和跟蹤測軌穿插進行，直到證實完成捕獲為止，這段時間一般要在一周以上。

基本介紹

• 中文名：軌道捕獲
• 外文名：orbital acquisition
• 學科：航空航天
• 類型：飛行術語
• 目的：消除入軌誤差
• 一般時間：一周以上

簡介

運載火箭把衛星送入軌道時，存在各種入軌誤差，軌道捕獲就是指消除入軌誤差，使衛星進入標準軌道。

典型的捕獲過程為：衛星入軌以後，用幾天的時間精確測軌，求出發射軌道和預定軌道的半長軸和傾角的差，確定捕獲要求和捕獲程式，包括發動機點火程式，工作時間、點火次數及工作點。在幾條相鄰的軌道上修正，並讓調整軌道和跟蹤測軌穿插進行，直到證實完成捕獲為止，這段時間一般要在一周以上。在軌道捕獲的過程中，可安排些調整偏心率的作業，如在遠地點用正周向的脈衝推力，則可在提高近地點的同時使偏心率變小。在近地點施加負周向脈衝推力，則降低遠地點高度的同時，使偏心率變小。

繫繩輔助的行星際軌道捕獲研究

深空探測中探測器的行星際軌道捕獲是保證探測任務成功的核心，其中包含了推進、姿態控制、軌道控制等關鍵技術。隨著探測器飛行距離的增長，常規的使用噴氣推進方式的探測器必將攜帶更多的燃料，從而使其他有效載荷的攜帶受到限制，導致很多空間探測任務無法實施。正是化學燃料的這種不可重複使用的缺點促進了無燃料推進技術的發展，如核推進技術、太陽翼技術、繫繩輔助技術等。

繫繩在空間運輸領域中的套用最早於1982年由Colombo提出，自此引起了眾多研究者的關注。PUIG-SUARI針對月球和行星際探測任務提出了一種繫繩吊索概念，通過對繫繩一端的太空飛行器施加連續力矩，使其獲得所需的發射速度。ROBERT P H為實現地月，地火或行星間的快速、高效運輸，提出了兩種繫繩運輸系統，分別為地月軌道繫繩運輸系統和地火快速繫繩運輸系統(MERITT)。ROBERT P H將動量交換繫繩和電動力繫繩技術相結合設計了一種可重複使用且不需要燃料消耗的、從地球低軌道到地球轉移軌道的繫繩推進裝置。KUMAR K D提出了一種利用繫繩進行太空飛行器或有效載荷軌道轉移的方法，並給出了繫繩收放控制策略。

目前，有關係繩在空間運輸、變軌領域中的研究大部分集中在地球軌道附近，而對於探測器系統到達目標行星飛越軌道後的研究較少。WILLIMAS P針對繫繩在行星際軌道捕獲方而的套用價值問題，通過理論推導和數值仿真，證實了與噴氣推進方式相比，利用繫繩輔助進行軌道捕獲能夠降低巨大的負載，有明顯的優越性。但是，WILLIMAS P在設計繫繩長度控制策略時忽略了繫繩的質量變化，並且沒有考慮到繫繩切斷時刻的指向，而不當的指向將會給子探測器的後續變軌或著陸帶來困難，無謂地消耗燃料；另外，給出的控制策略中繫繩的收放速率達到了100 m/s，這對目前的繫繩收放機構來說很難實現。

針對上述問題，西北工業大學航天學院智慧型機器人研究中心劉彬彬等從軌道捕獲條件角度對動量交換繫繩輔助的行星際軌道捕獲方式進行了研究。首先根據探測器系統的動力學模型給出了一致性捕獲條件和繫繩最佳切斷點；然後從定性和定量兩方而對機動過程的動力學特性進行了分析，得到了有必要施加主動控制的結論；最後針對機動過程的最優控制問題給出了數值解法，並對典型系統參數進行了仿真。

他們研究了動量交換繫繩輔助的行星際捕獲方式，獲得了以下結論：

1)利用繫繩在飛越近拱點後有反向加速旋轉趨勢的特性，將繫繩的切斷點選取在探測器系統質心剛剛跨過近拱點處，解決了繫繩切斷時指向不明確和繫繩收放機構存在速率上限的問題。

2)通過控制繫繩的收放能夠更好地滿足軌道捕獲條件，但會提高對繫繩抗拉強度的要求。

3)仿真結果驗證了利用動量交換繫繩進行行星際軌道捕獲方式的可行性，以及所提出的繫繩收放控制策略的有效性，可為未來繫繩在深空探測中的套用提供借鑑。

火星探測器軌道捕獲典型策略

根據是否利用大氣輔助減速，火星探測任務可採用的典型軌道捕獲策略可分為以下兩大類：

1)直接制動捕獲，即利用探測器軌控發動機制動實現軌道捕獲，其間不利用火星大氣輔助減速。設計地火轉移軌道的雙曲線頂點高度為目標軌道高度，當探測器飛行至雙曲線頂點時執行脈衝變軌實現環火星軌道的捕獲(如圖)。

直接制動捕獲示意圖

2)大氣輔助捕獲，即設計地火轉移軌道的雙曲線頂點位於火星大氣內，探測器不經制動直接進入火星大氣，利用大氣阻力降低探測器速度，從而實現軌道捕獲。大氣輔助捕獲又可細分為多次穿越和一次穿越兩種方式。

多次穿越大氣捕獲的基本思路是:在確保能被火星捕獲的前提下，探測器採用儘可能小的進入角直接進入火星大氣，利用大氣阻力降低探測器速度。多次穿越大氣後，軌道遠火點高度逐步降低，在最後一次穿越大氣前對進入角進行最佳化，使探測器穿越大氣後遠火點高度為目標軌道高度，在遠火點執行脈衝變軌，實現環火星軌道捕獲(如圖)。

多次穿越火星大氣後捕獲

一次穿越大氣捕獲的基本思路是，探測器採用合適的進入角直接進入火星大氣，利用大氣阻力降低探測器速度，穿越大氣後遠火點高度為目標軌道高度，在遠火點執行脈衝變軌，實現軌道捕獲。

根據仿真結果可以看出:1)直接制動實現環火星軌道捕獲任務耗時很短，但速度增量需求較大;2)探測器多次穿越火星大氣，利用大氣阻力降低探測器速度，實現環火星軌道捕獲速度增量需求及過載都較小，但完成捕獲任務耗時較長;3)探測器一次穿越火星大氣，利用大氣阻力降低探測器速度，實現環火星軌道捕獲速度增量需求較小且完成捕獲時間較短，但過載較大。

實際工程套用中，應根據具體情況，綜合考慮任務耗時、燃料消耗及過載等多方因素來確定火星探測器使命軌道的捕獲策略。